تنظیم تنفس چیست؟ به زبان ساده

فرایند تنفس کمپلکس حرکتی پیچیده‌ای است که باید در هر زمان (غذا خوردن، ورزش، خواب) تنظیم شود. تنظیم تنفس غیرارادی توسط مرکز کنترل تنفس در مغز (بطل‌النخاع و پل‌مغزی) انجام می‌شود و تنفس ارادی توسط قشر حرکتی مغز کنترل می‌شود. این بخش‌ها انقباض عضلات بین‌دنده‌ای و دیافراگم را تنظیم می‌کنند تا گازهای اکسیژن و دی‌اکسید کربن در بهترین میزان خود برای حفظ عملکرد بدن بمانند. در ادامه جزئیات تنظیم تنفس مورد بحث قرار می‌گیرد. علاوه بر تنفس اصلی بدن انسان که تنفس شش‌ها صورت می گیرد تنفس در سطح سلول‌ها نیز انجام می‌شود که با ان می‌توانند انرژی مورد نیاز خود را فراهم کنند. تنفس سلولی نیز توسط مسیرهای خاصی در سطح سلول‌ها کنترل می‌شود که در انتهای متن توضیح داده می‌شوند.

تنظیم تنفس چیست ؟

تنفس فرایندی است که به مقدار زیادی هماهنگی میان عملکرد ماهیچه‌های تنفسی و مرکز کنترل تنفس در مغز وابسته است. در حالت عادی، ریه‌ها امکان تبادل اکسیژن بین هوا و سلول‌های بدن و همچنین دفع دی‌اکسید کربن را فراهم می‌کنند. اکسیژن گاز کلیدی برای انجام متابولیسم‌های سلولی است و دی‌اکسید‌کربن نیز در میزان pH بدن نقش دارد. بدن همواره میان عرضه و تقاضای این دو گاز از طریق سرعت تنفس تعادل برقرار می‌کند.

برای مثال وقتی ورزش می‌کنیم سلول‌ها به انرژی بیشتر و در نتیجه اکسیژن بیشتری نیاز دارند. از طرفی با افزایش متابولیسم، تولید کربن‌دی اکسید نیز افزایش می‌یابد که در نتیجه آن خون اسیدی می‌شود. اگر این شرایط ادامه پیدا کند و ریه‌ها سرعت تنفس را بالا نبرند اندام‌های حیاتی بدن در اثر افزایش اسیدیته و کمبود انرژی می‌میرند.

بدن برای حل این مشکل، از گیرنده‌های شیمیایی اعصاب مرکزی و محیطی و همچنین گیرنده‌های مکانیکی در ریه استفاده می‌کند تا پیام نحوه تنفس را منتقل کند. به فرایندهایی که توسط مغز و ریه برای حفظ تعادل میزان اکسیژن و دی‌اکسید کربن بدن انجام می‌شود تنظیم تنفس می‌گویند. در انسان نورون‌های تنفسی موجود در بصل‌النخاع و پل‌مغزی، به تنظیم تنفس غیرارادی می‌پردازند. در ادامه جزئیات این فرایند توضیح داده می‌شوند.

چرخه تنفس چیست ؟

هر چرخه تنفس با دم شروع و با بازدم به پایان می‌رسد.در فرایند دم، دیافراگم و عضلات بین‌دنده‌ای خارجی منقبض می‌شوند. دیافراگم با انقباض حالت مسطح به خود می‌گیرد و انقباض عضلات بین‌دنده‌ای خارجی باعث به بیرون کشیدن دنده‌ها و «جناغ سینه» (Sternum) می‌شود. با این فرایند، فضای داخل قفسه‌سینه افزایش پیدا می‌کند. در نتیجه افزایش فضای قفسه سینه، فشار داخل فضای پلور کاهش می‌یابد، کیسه‌های هوایی ریه باز می‌شوند و به خاطر فشار منفی ایجاد شده، هوا به داخل ریه می‌آید. فضای پلور به فاصله بین ریه و و دیواره داخلی قفسه سینه گفته می‌شود که با مایعی به نام مایع پلوری پر شده است.

بعد از این‌که تبادل گازها انجام شد، دیافراگم و ماهیچه‌های بین‌دنده‌ای به حالت قبل برمی‌گردند (به صورت ریلکس). دیافراگم در حالت ریلکس به سمت بالا انحنا دارد و فضای داخل قفسه سینه را کم می‌کند. از آن طرف ماهیچه‌های بین‌دنده‌ای نیز در شکل ریلکس دنده‌ها را به قفسه سینه نزدیک می‌کنند. با کاهش حجم قفسه سینه، ریه ها نیز به دلیل حالت کشسانی که دارند به شکل قبل باز می‌گردند که در این صورت، فشار هوای داخل ریه افزایش می‌یابد و هوا به خارج بدن می‌رود.

سرعت و قدرت انقباض دیافراگم که روی سرعت و حجم تنفس تاثیر می‌گذارند، به شدت به الگوی سلول‌های «ضربان‌ساز» (Pacemaker) در ساقه مغز بستگی دارد. از طرف دیگر، پیام کنترل الگوی تنفس نیز بر اساس میزان تقاضا به اکسیژن برای انجام فرایندهای متابولیک به سلول‌های ساقه مغز می‌رسد. این دو سیستم با همکاری هم می‌توانند به تنظیم تنفس بپردازند.

تنفس فعال چیست ؟

تنفس فعال یا اجباری، نوعی تنفس فعال است که از ماهیچه‌های دیگری علاوه بر ماهیچه‌های توضیح داده شده برای کم و زیاد کردن حجم قفسه سینه استفاده می‌شود. این نوع تنفس بیشتر در هنگام ورزش اتفاق میفتد.

دم فعال

در دم فعال از ماهیچه‌های کمکی تنفسی استفاده می شود. این ماهیچه‌ها در بخش زیر توضیح داده شده‌اند که همگی حجم قفسه سینه را افزایش می‌دهند.

• «ماهیچه‌های نردبانی» (Scalene Muscles): دنده‌های بالایی را به سمت بالا می‌برد.
• «استرنوکلیدوماستوئید» (Sternocleidomastoid): جناغ سینه را به سمت بالا می‌برد.
• «سینه‌ای بزرگ و کوچک» (Pectoralis Major and Minor): دنده‌ها را به سمت بیرون می‌برند.
• «دندانه‌ای پیشین» (Serratus Anterior): دنده‌ها را بالا می‌برد.
• «پشتی بزرگ» (Latissimus Dorsi): دنده‌های پایینی را بالا می‌برد.

بازدم فعال

در بازدم فعال انقباض برخی از عضلات شکمی و قفسه سینه باعث کم کردن حجم قفسه سینه می‌شود. این عضلات شامل موارد زیر هستند.

• «ماهیچه قدامی جانبی دیواره شکم» (Anterolateral Abdominal Wall): انقباض این عضله فشار داخل شکم را افزایش می‌دهد که در نتیجه آن دیافراگم بیشتر به سمت بالا می‌رود و حجم قفسه سینه کمتر می‌شود.
• «بین‌دنده‌ای داخلی» (Internal Intercostal): دنده‌ها را جمع می‌کند.
• «بین‌دنده‌ای درونی» (Innermost Intercostal): دنده‌ها را جمع می‌کند.

عصب‌هایی درگیر در تنظیم تنفس

عصب‌های زیادی در انقباص عضلات برای انجام تنفس نقش دارند. سه عصب مهم در تنظیم تنفس در ادامه توضیح داده می شوند.

• «عصب‌های فرنیک» (Phrenic): این عصب فعالیت دیافراگم را تنظیم می‌کند. از دو عصب فرنیک چپ و راست تشکیل شده است که از سمت چپ و راست قلب عبور می‌کنند. از جمله عصب‌های است که در تنظیم فرایندهای غیرارادی نقش دارد و به آن «عصب اتونومیک» (Autonomic Nerve) می‌گویند.
• «عصب واگ» (Vagus): این عصب دیافراگم، حنجره و حلق را عصب‌دهی می‌کند. همچنین باعث تحریک پاراسمپاتیک قلب و سیستم گوارش می‌شود. جزو عصب‌های اتونومیک اصلی است.
• «عصب‌های قفسه سینه پشتی» (Posterior Thoracic): عضلات بین‌دنده‌ای را عصب‌دهی می‌کند. این عصب‌ها سوماتیک هستند.

آسیب به هر یک از این عصب‌ها باعث مشکلات جدی تنفسی می‌شود. برای مثال آسیب عصب فرنیک، باعث فلج دیافراگم می‌شود. آسیب‌های جزئی به عصب فرنیک یا واگ باعث تحریک آن‌ها شده که در نتیجه آن سکسکه اتفاق می‌افتد.

تنظیم تنفس غیرارادی چگونه انجام می‌شود ؟

تنفس غیرارادی ما تحت کنترل ناخودآگاه ما قرار دارد. در تنفس غیرارادی عضلات بین‌دنده‌ای و دیافراگم نقش دارند که انقباض آن‌ها توسط گروهی از نورون‌ها در پل‌مغزی و بصل‌النخاع کنترل می‌شود. این نورون‌ها مرکز تنفس را تشکیل می‌دهند و پیام خود را از طریق عصب‌های بین‌دنده‌ای و فرنیک به این عضلات منتقل می‌کنند. مرکز تنفس از سه گروه مختلف نورونی تشکیل شده است که به صورت زیر هستند.

• گروه تنفسی پشتی (dorsal): در هسته «تراکتوس سولیتریوس» (Tractus Solitarius) بصل‌النخاع قرار دارد و بیشتر در کنترل دم نقش دارد.
• گروه تنفسی شکمی (ventral): در بصل‌النخاع قرار دارد و بیشتر در بازدم نقش دارد. نیمه فوقانی این بخش دارای سلول‌هایی است که مسئول تولید ریتم هستند.
• گروه تنفسی پل‌مغزی (pontine): در پل مغزی (بالای بصل‌النخاع) قرار دارد و مسئول کنترل شدت و سرعت تنفس غیرارادی هستند. دو بخش عملکردی اصلی دارد که به شرح زیر هستند.
  • مرکز پنوموتاکسیک (pneumotaxic): این مرکز پیام‌هایی به عضلات تنفسی می‌فرستد که دم را محدود می‌کند. پیام این مرکز فعالیت عصب فرنیک را محدود می‌کند و مانع انتقال پیام مرکز آپنوستیک می‌شود. در واقع حجم جاری تنفس را کاهش می‌دهد.
  • مرکز آپنوستیک (apneustic): پیامی که به عضلات تنفسی می‌فرستد باعث تنفس عمیق و طولانی می‌شود. این نورون‌ها با استفاده از اطلاعاتی که گیرنده‌های کشش عضلات تنفسی به آن‌ها می‌دهند یا پیام‌های حاصل از مرکز پنوموتاکسیک، حجم جاری تنفس را افزایش می‌دهند.

تمام این گروه‌ها با یکدیگر همکاری‌ می کنند تا به تنظیم تنفس بپردازند. اگر این نورون‌ها پیامی تولید نکنند، ماهیچه‌های تنفسی ریلکس می‌شوند و بازدم اتفاق می‌افتد. در ادامه بیشتر در خصوص این بخش‌های تنظیم تنفس مغز توضیح داده می‌شود.

مرکز کنترل تنفس بصل‌النخاع

گروه‌های نورونی موجود در بصل‌النخاع برای ایجاد ایمپالس‌های ریتم تنفسی اهمیت دارند. مطالعات انجام شده روی حیوانات نشان دادند که ایجاد برشی در ساقه مغز درست در زیر بصل النخاع (بخش IV تصویر زیر) تمام فعالیت‌های تنفسی را متوقف می‌کند. با این حال، تنفس ریتمیک پس از قطع شدن ساقه مغز درست بالای پل‌مغزی ادامه پیدا می‌کند.

دانشمندان قبلا تصور می‌کردند که نورون‌های بخش‌های جداگانه بازدمی و دمی مسئول ایجاد الگوی چرخه تنفسی هستند. به طوری که خود را برای القای پیام تنفس برانگیخته می‌کردند و در ادامه نورون‌های دمی و بازدمی به صورت متقابل اثر یکدیگر را نیز مهار می‌کردند. اما امروزه باور بر این است که این نورون‌ها به صورت اتوماتیک در هم آمیخته شده‌اند و الزاما اثر یکدیگر را مهار نمی‌کنند.

این نورون‌ها به صورت گسترده‌ای در بصل‌انخاع پراکنده شده‌اند. با این حال گروه تنفسی پشتی بیشتر حاوی نورون‌های کنترل دم و گروه تنفسی شکمی دارای نورون‌های دمی و بازدمی هستند.

گروه تنفسی پشتی

همان‌طور که در تصویر زیر هم مشخص است گروه تنفسی پشتی بیشتر دارای نورون‌های دمی هستند که به صورت دوطرفه در ناحیه ای به نام هسته تراکتوس سولیتریوس قرار گرفته‌اند. این نورون‌ها پیام خود را از طریق عصب فرنیک و عصب حرکتی بین‌دنده‌ای خارجی به ماهیچه‌های تنفسی می‌رسانند و باعث القای دم می‌شوند.

بسیاری از نورون‌های گروه پشتی به گروه شکمی کشیده شده‌اند ولی تعداد کمی از نورون‌های گروه شکمی به درون گروه پشتی راه یافته‌اند که این مسئله احتمال صحیح بودن فرضیه مهار متقابل برای ایجاد ریتم تنفس را کم می‌کند.

گروه تنفسی پشتی از دو جمعیت نورونی تشکیل شده است. یکی از آن‌ها با دم عمیق مهار می‌شود (توقف تلاش دمی) و دیگری با دم برانگیخته می‌شود (ادامه تلاش دمی). این نورون‌ها در ایجاد رفلکس‌های هد و هرینگ بروئر نقش دارند. این رفلکس‌ها در ادامه متن توضیح داده می‌شوند.

عصب واگ و نورون‌های زبانی حلقی،‌ پیام‌های حسی را از ریه‌ها، راه هوایی، گیرنده‌های شیمیایی محیطی و گیرنده‌های عمقی مفصلی به گروه تنفسی پشتی منتقل می‌کنند. این پیام‌ها الگوی تنفسی موجود در این نورون‌ها را تغییر می‌دهد.

گروه تنفسی شکمی

گروه تنفسی شکمی در بصل‌النخاع به صورت دوطرفه در هسته‌هایی حاوی نورون‌های دمی و بازدمی قرار گرفته‌اند. بعضی از نورون‌های تنفسی دمی در این گروه از طریق عصب واگ به عضلات حلق و حنجره پیام می‌فرستند که تارهای صوتی را دور کنند و قطر دهانه حنجره را افزایش دهند. برخی دیگر از نورون‌های دمی این گروه نیز، به دیافراگم و ماهیچه‌های بین‌دنده‌ای خارجی پیام انقباض می‌فرستند.

نورون‌های بازدمی گروه تنفس شکمی نیز به ماهیچه‌های تنفسی شکمی و ماهیچه‌های بین‌دنده‌ای داخلی پیام انقباض و در نتیجه بازدم انتقال می‌دهند. بخش بالایی گروه تنفسی شکمی، «کمپلکس بوتزینگر» (Bötzinger’s Complex) نام دارد که فقط دارای نورون‌های بازدمی است که می‌توانند ایمپالس‌های دمی گروه تنفسی پشتی و شکمی را مهار کنند.

سیگنال شیب‌دار دمی

نورون‌های گروه پشتی و شکمی به صورت ناگهانی سیگنال خود را به ماهیچه‌های تنفسی منتقل نمی‌کنند. بلکه پس از توقف بازدم به صورت آرام آرام و با شیب افزایشی پیام دم به ماهیچه‌های تنفسی انتقال می‌یابد. این نوع «پیام شیب‌دار دمی» (Inspiratory Ramp Signal)، به‌جای اینکه ریه‌ها را در یک نفس دمی ناگهانی پر کند، به آرامی و تدریجی آن‌ها را باد می‌کند. در طول ورزش، رفلکس‌ها و گیرنده‌های محیطی مختلف بر روی نورون‌های تنفسی بصل‌النخاع تأثیر می‌گذارند و سیگنال شیب‌دار دمی را سریع‌تر می‌کنند و ریه‌ها را با سرعت بیشتری پر می‌کنند.

مرکز کنترل تنفس پل مغزی

اگر ساقه مغز از بالای بصل‌النخاع بریده شود،‌ همچنان تنفس خود بخودی ادامه پیدا می کند. اما این تنفس الگوی نامنظم خواهد داشت. بنابراین پل‌مغزی با تغییر دادن پیام‌های مرکز تنفسی بصل‌النخاع،‌ ریتم تنفسی را بهتر می‌کند. دو گروه آپنوستیک و پنوموتوکسیک در پل مغزی به تنظیم تنفس می‌پردازند.

گروه‌های تنفسی آپنوستیک و پنوموتوکسیک

گروه‌های آپنوستیک و پنوموتوکسیک موجود در پل‌مغزی از طریق برش زدن مغز حیوانات شناسایی شده‌اند. اگر ساقه مغز از وسط پل‌مغزی قطع شود و اعصاب واگ که این ناحیه را با قسمت‌های تحتانی مغز و نخاع متصل می‌کنند نیز بریده شوند، یک الگوی تنفسی به نام «آپنه» (Apneusis) ایجاد می‌شود.

آپنه شامل دم طولانی مدت است که با بازدم‌های نامنظم قطع می‌شود. به نظر می‌رسد که گروه آپنوستیک در ناحیه‌ای در قسمت پایین پل‌مغزی قرار دارد، اما هرگز از نظر تشریحی با قطعیت شناسایی نشده است. وجود و عملکرد این نقطه فقط با قطع قسمت‌های بالایی گروه آپنوستیک و اعصاب واگ آن دیده می‌شود. تحت این شرایط، قسمت‌های انتهایی پل مغزی (یعنی مرکز آپنوستیک) سیگنال‌هایی را به نورون‌های گروه تنفسی پشتی ارسال می‌کنند و از خاموش شدن سیگنال رمپ دمی جلوگیری می‌کنند.

گروه پنوموتاکسیک به صورت دوطرفه در قسمت‌های بالایی پل‌مغزی قرار گرفته‌اند. این گروه در کنترل نقطه خاموش شدن سیگنال رمپ دمی نقش دارند و با ارسال سیگنال‌های مهاری به نورون‌های دمی بصل‌النخاع، طول دم را کنترل می‌کنند. سیگنال‌های قوی پنوموتاکسیک زمان دم را کوتاه می‌کند و ریتم تنفس را بالا می برد. در مقابل سیگنال‌های ضعیف گروه پنوموتوکسیک، مدت زمان دم را طولانی و حجم جاری تنفس را افزایش می‌دهد. عملکرد اصلی گروه پنوموتاکسیک، محدود کردن عمل دم و کنترل کردن ایمپالس‌های گروه آپنوستیک است.

نقش گیرنده‌های مکانیکی قفسه سینه در تنظیم تنفس

گیرنده‌های مکانیکی که در راه‌های هوایی، نای، ریه و عروق ریه وجود دارند، اطلاعات مورد نیاز برای تنظیم تنفس را به مرکز تنفس در مغز می‌فرستند. این اطلاعات حاوی میزان حجم ریه، کشش راه های هوایی و جمع شدن خون هستند. چهار نوع اصلی از این گیرنده‌ها شامل موارد زیر هستند.

• «دوک های کششی با تطبیق آهسته» (Slow Adapting Stretch Spindles): این گیرنده‌ها در دیافراگم و ماهیچه‌های بین‌دنده‌ای قرار دارند و تنها اطلاعات مربوط به حجم را دریافت می‌کند. دوک‌های کششی در «فیبرهای ماهیچه‌ای داخل‌لوله‌ای» (Intrafusal Muscle Fibers) به موازات فیبرهای «ماهیچه‌ای خارج لوله‌ای» (Extrafusal Muscle Fibers) قرار گرفته‌اند.
• «گیرنده‌های تطبیق سریع» (Rapid Adapting Irritant Receptors): علاوه بر اطلاعات مربوط به حجم، به التهابی که مواد شیمیایی مثل عوامل خارجی مضر یا گرد و غبار نیز پاسخ می‌دهند. وقتی این گیرنده‌ها تحریک شوند باعث رفلکس انقباض برونش، سرفه، عطسه، افزایش تنفس و تنگ کردن حنجره می‌شوند.
• «گیرنده‌های مویرگی کنار هم» (Juxta-capillary Receptors): در صورت جمع شدن خون در عروق، التهاب کیسه‌های هوایی (پنومونی) و ادم ریه، به مرکز تنفس اطلاع می‌دهد تا سرعت تنفس را افزایش دهد. تحریک این گیرنده‌ها باعث تنفس سریع و سطحی می‌شود. همچنین احساس تنگی نفس و باریک شدن حنجره در هنگام بازدم رخ می‌دهد.. تنگ شدن حنجره باعث خرخر کردن در هنگام بازدم، به خصوص در نوزادان می‌شود.
• «گیرنده‌های عمقی محیطی» (Peripheral Proprioceptors): گیرنده‌های عمقی در عضلات، تاندون‌ها و مفاصل و همچنین گیرنده‌های درد در عضلات و پوست، پیام خود را به بصل‌النخاع می‌فرستند که در نتیجه آن فعالیت دمی افزایش پیدا می‌کند و هایپرپنه (افزایش سرعت و عمق تنفس) اتفاق میفتد.
  به همین جهت، حرکت دادن دست و پا، ضربه زدن به پوست و سایر تحریکات دردناک در بیماری که دچار دپرشن تنفسی (تنفس آهسته و کم‌عمق) است باعث القای تنفس می‌شود.

دو گروه اول اطلاعات خود را از طریق عصب 5 (واگ) به مرکز تنفس منتقل می‌کنند تا افزایش سرعت تنفس، حجم تنفس یا سرفه اتفاق بیفتد. مثالی از عملکرد این گیرنده‌ها رفلکس کشش ریه یا «رفلکس هرینگ بروئر» (Herring-Breuer Reflex) است که مانع از باز شدن بیش از حد ریه‌ها می‌شود.

آریتمی سینوسی در کنترل تنفس

وقتی که رفلکس هرینگ بروئر اتفاق میفتد، پیام گیرنده‌های کششی تنفسی به وسیله عصب واگ به مغز منتقل می‌شود. عصب واگ قلب را هم عصب‌دهی می‌کند و می‌تواند روی ریتم تپش قلب نیز تاثیر بگذارد.

در هنگام فعال شدن گیرنده‌های کشش،‌ پیام مهاری از عصب واگ علاوه بر مغز به گره سینوسی بطنی قلب نیز منتقل می‌شود. تحریک این گره باعث افزایش کوتاه‌مدت ضربان قلب در حالت استراحت می شود، که به اصطلاح به آن «تاکی‌کاردی» (Tachycardia) می‌گویند.

وقتی کشش از روی گیرنده های مکانیکی ریه برداشته شود، ارسال پیام مهاری متوقف شده و ریتم تپش قلب به حالت طبیعی باز می‌گردد. وقتی که این فرآیند به صورت چرخه‌ای اتفاق بیفتد، آریتمی سینوسی نام می‌گیرد.

آریتمی سینوسی در همه افراد اتفاق نمی‌افتد و بیشتر در جوانان رایج است. حساسیت گره سینوسی بطنی به مرور زمان نسبت به این رفلکس کاهش می‌یابد. به همین خاطر این نوع آریتمی در افراد مسن‌تر کمتر دیده می‌شود.

گیرنده‌های شیمیایی کنترل تنفس

گیرنده‌های شیمیایی، سنسورهایی هستند که پیام شیمیایی را به پتانسل عمل تبدیل می‌کنند. سپس پتانسیل عمل از طریق مسیرهای نورونی به بخش‌های مختلف مغز می‌رود. تعداد زیادی گیرنده شیمیایی در بدن وجود دارد ولی فقط تعداد کمی از آن‌ها در کنترل تنفس نقش دارند.

گیرنده‌های شیمیایی تنفسی میزان pH را با تغییرات غلظت یون هیدروژن درک می‌کنند. چون بیشتر دی‌اکسیدکربن در خون به کربنیک اسید و بی‌کربنات تبدیل می‌شود، گیرنده های شیمیایی با اندازه‌گیری pH خون می‌توانند میزان سطح کربن‌دی‌اکسید را ارزیابی کنند. گیرنده‌های شیمیایی اصلی در تنظیم تنفس به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند.

1. گیرنده‌های شیمیایی مرکزی: این گیرنده‌ها تغییرات pH مربوط به مایع مغزی نخاعی را درک می‌کنند. این گیرنده‌ها در اثر هیپوکسی مزمن (کمبود اکسیژن) و افزایش  کربن‌دی‌اکسید حساسیت‌زدایی می‌شوند.
2. گیرنده‌های شیمیایی محیطی: این گیرنده‌ها تغییرات سطح اکسیژن، یون هیدروژن و کربن‌دی‌اکسید را درک می‌کنند. این سیستم بیشتر به افزایش کربن‌دی‌اکسید و اسیدیته خون حساس است و میزان کمبود اکسیژن را فقط در هیپوکسی‌های شدید حس می‌کند.

نقش گیرنده‌های شیمیایی محیطی در تنظیم تنفس

گیرنده‌های شیمیایی محیطی شامل اجسام آئورتیک و کاروتید هستند. اجسام کاروتید در محل دوشاخه شدن شریان‌های کاروتید مشترک قرار دارند و از طریق عصب 4 (عصب زبانی حلقی) اطلاعات خود را به مرکز تنفس ارسال می‌کنند. اجسام آئورتیک در قوس آئورت قرار گرفته‌اند و از طریق عصب 5 (واگ) اطلاعات را به مرکز تنفس می‌فرستند.

گیرنده‌های آئورتیک تغییرات اکسیژن و دی‌اکسیدکربن خون را متوجه می شوند ولی تغییرات pH را درک نمی‌کنند اما گیرنده‌های کاروتید هر سه مورد را تشخیص می‌دهند. این گیرنده‌ها حساسیت‌زدایی نمی‌شوند و نسبت به گیرنده‌های شیمیایی مرکزی نقش کمتری در کنترل تنفس دارند.

نقش گیرنده‌های شیمیایی مرکزی در تنظیم تنفس

گیرنده‌های شیمیایی مرکزی در سطح شکمی بصل‌النخاع و هسته رتروتراپزوئید قرار دارند. این گیرنده‌ها میزان تغییرات pH در سیستم اعصاب مرکزی را متوجه می‌شوند. دی‌اکسید کربن می‌تواند میزان pH را تغییر دهد. گاز دی‌اکسید کربن مولکولی کوچک و قابل انحلال در چربی است که به راحتی از سد خونی مغزی عبور کرده و به مغز می‌رسد و در «مایع مغزی نخاعی» (CSF)، تشکیل یون هیدرون می‌دهد.

مایع مغزی نخاعی پلاسمایی است که در حد بالایی فیلتر شده است و به طور مداوم توسط «شبکه مشیمیه» (Choroid Plexus) تولید و توسط «ویلی‌های عنکبوتیه» (Arachnoid Villi) جذب می‌شود. چون این مایع با مایع خارج سلولی در ارتباط است، محتوای ان تحت تاثیر فعالیت متابولیک این سلول‌ها و همچنین محتوای خون قرار می‌گیرد.

گیرنده‌های شیمیایی افزایش اسیدیته را متوجه می‌شوند و پیام نیاز به افزایش «هایپرونتیلاسیون» (Hyperventilation) را به مرکز تنفس ارسال می‌کنند. در نتیجه این پیام، تنفس کند و عمیق اتفاق می‌افتد که میزان دی‌اکسید کربن خون را کاهش می‌دهد. از طرف دیگر وقتی میزان فشار کربن‌دی اکسید در خون کاهش یابد، مایع مغزی نخاعی قلیایی شده و هیپوونتیلاسیون اتفاق می‌افتد.

کنترل منفی گیرنده‌های شیمیایی در تنظیم تنفس

برای انجام فیدبک منفی به سه بخش نیاز است که شامل «سنسور» (Sensor)، «سنسورهای یکپارچه» (Integrating Sensor) و «افکتور» (Effector) هستند. در تنظیم تنفس، گیرنده‌های شیمیایی سنسورهای pH هستند، بصل‌النخاع و پل‌مغزی سنسورهای یکپارچه هستند و ماهیچه‌های تنفس نقش افکتور را ایفا می‌کنند.

شرایطی را در نظر بگیرید که فرد به دلیل حمله عصبی دچار افزایش ریتم تنفس شده باشد. افزایش ریتم تنفس بخش زیادی از دی‌اکسید کربن را از بدن خارج می‌کند. بدون کربن‌دی‌اکسید،‌‌ کربنیک‌اسید کمتری در خون وجود خواهد داشت و به دلیل کاهش یون‌های هیدروژن pH خون افزایش می‌یابد و خون قلیایی می‌شود.

در این شرایط، گیرنده های شیمیایی تغییرات pH را تشخیص می‌دهند و به بصل‌النخاع پیام می‌فرستند. بصل‌النخاع نیز در پاسخ به این شرایط میزان ریتم تنفس را کاهش می‌دهد تا میزان دی‌اکسیدکربن در خون بالا رود و pH به شرایط طبیعی خود باز گردد.

مثالی دیگر از این تنظیمات شرایطی است که فرد دچار اسهال شدید باشد. در این حالت بی‌کربنات زیادی از طریق لوله گوارش دفع می‌شود که در نتیجه آن میزان بی‌کربنات (نقش بافری دارد.) پلاسما نیز کاهش می‌یابد. این درحالی است که میزان یون هیدروژن در خون ثابت است. به همین علت pH خون اسیدی می‌شود و اسیدوز اتفاق میفتد.

در شرایط اسیدوز، ریتم تنفس افزایش می‌یابد تا کربن‌دی‌اکسید بیشتری از بدن خارج شود تا غلظت یون هیدروژن کاهش یابد و pH به حالت طبیعی بازگردد. در مقابل، استفراغ (وقتی محتوای معده اسیدی باشد.) یون هیدروژن را از بدن خارج می کند که برای جبران آن ریتم تنفس کاهش می‌یابد.

گیرنده‌های شیمیایی محیطی همچنین می‌توانند در شرایط هیپوکسی (کمبود اکسیژن)،‌ پیامی به مرکز تنفس منتقل کنند که در نتیجه آن ریتم تنفس برای دریافت اکسیژن بیشتر، افزایش یابد.

رفلکس های کنترل تنفس

مرکز تنظیم تنفس در مغز توسط گیرنده‌های محیطی اطلاعات شرایط تنفسی بدن را دریافت می‌کنند. در ادامه رفلکس‌های تنظیمی که این گیرنده‌ها توضیح داده می‌شوند.

رفلکس دم هرینگ بروئر

این رفلکس در سال 1868 توسط هرینگ و بروئر معرفی شد. این رفلکس توسط گیرنده‌های کشش واقع در عضلات صاف بزرگ و کوچک راه هوایی ایجاد می‌شود. به این گیرنده‌ها دوک های کششی با تطبیق آهسته می‌گویند چون فعالیت آن‌ها فقط تا زمانی که تحریک برقرار باشد ادامه پیدا می‌کند.

وقتی ریه بیش از حد طبیعی خود کشیده شود، این گیرنده های مکانیکی، پیام خود را با پتانسیل عمل از طریق عصب واگ به بخش گروه تنفسی پشتی بصل‌النخاع می‌فرستند و از دم بیشتر جلوگیری می‌کنند. در واقع عمل این بخش مشابه عمل بخش پنوموتاکسیک پل‌مغزی است. این رفلکس تنفسی در افراد بالغ تنها در حجم‌های تنفسی بالای 800 میلی‌لیتر اتفاق می‌افتد. این حجم از تنفس در فعالیت‌های ورزشی شدید رخ می‌دهد.

رفلکس بازدم هرینگ بروئر

هرینگ و بروئر مشاهده کردند که بعد از جمع شدن دیواره‌های ریه به صورت ناگهانی (کلاپس ریه) رفلکس افزایش میزان تنفس اتفاق می‌افتد. رفلکس دم ممکن است به دلیل کاهش کشش در گیرنده‌های مکانیکی یا به علت تحریک سایر گیرنده‌ها مثل گیرنده‌های سریع و گیرنده‌های J اتفاق بیفتد. پیام گیرنده درگیر در این رفلکس توسط عصب واگ منتقل می‌شود و افزایش تنفس اتفاق میفتد.

رفلکس پارادوکس هد

در سال 1889، «هد» (Head) مشاهده کرد که اگر رفلکس هرینگ بروئر تا حدی با خنک کردن عصب واگ مسدود شود، باد شدن بیش از حد ریه باعث افزایش دم می‌شود. یعنی ریه با دم از هوا پر شده اما به جای بازدم، باز هم از هوا پر می‌شود. گیرنده‌های این رفلکس، گیرنده‌های تطبیق‌شونده سریع نامیده می‌شوند، زیرا پس از تغییر حجم به سرعت متوقف می‌شوند.

رفلکس هد، در هنگام ورزش به ایجاد حجم جاری بزرگ کمک می‌کند علاوه بر این به نظر می‌رسد که در آه کشیدن دوره‌ای نقش داشته باشد. آه‌ کشیدن عمیق از روی‌ هم قرار گرفتن دیواره آلوئولار یا آتلکتازی جلوگیری می‌کند. این رفلکس همچنین ممکن است در تحریک اولین نفس‌های نوزاد تازه متولد شده نقش داشته باشد.

تنظیم تنفس ارادی

تنفس ارادی تحت کنترل خودآگاه انسان است. تنفس ارادی توسط قشر حرکتی در «مخ» (Cerebrum) کنترل می‌شود. مکانیسم کنترل این نوع تنفس به طور کامل مشخص نیست ولی به نظر می‌رسد که پیام حاصل از قشر حرکتی مغز از طریق نخاع به عضلات تنفسی می‌رسد.

بخش‌های مختلفی از قشر حرکتی مخ در تنظیم تنفس ارادی نقش دارند. انقباض عضلات داخلی و خارجی بین‌دنده‌ای توسط بخش فوقانی قشر حرکتی اولیه کنترل می‌شود. مرکز کنترل دیافراگم در پشت محل کنترل قفسه سینه (در قسمت فوقانی قشر حرکتی اولیه) قرار دارد. بخش تحتانی قشر حرکتی اولیه نیز ممکن است، در بازدم کنترل شده درگیر باشد.

سیگنال‌های عصبی تنفسی ارادی در مسیر تنفسی صعودی می‌توانند توسط سیگنال‌های گیرنده شیمیایی ناشی از تنفس غیرارادی نادیده گرفته شوند. علاوه بر این، ساختارهای دیگری مثل مرکز لیمبیک و هیپوتالاموس ممکن است سیگنال‌های تنفسی ارادی را نادیده بگیرند.

در زمان احساس خطر یا استرس عاطفی، سیگنال‌های هیپوتالاموس سیگنال‌های تنفسی را در اختیار می‌گیرند و سرعت تنفس را افزایش می‌دهند تا پاسخ مبارزه یا فرار را تسهیل کنند.

تنظیم تنفس در خواب

تنظیم تنفس در هنگام خواب با تنفس در هوشیاری کاملا متفاوت است. خواب یک وضعیت فیزیولوژیک داینامیک است که روی نحوه تنفس در مراحل مختلف خود (به خصوص REM) اثر می‌گذارد. همان‌طور که می‌دانید خواب از دو مرحله «حرکت سریع چشم» (Rapid Eye Movement | REM) و «بدون حرکت چشم» (Non Rapid Eye Movement | NREM) تشکیل شده است.

با شروع خواب به دلیل کاهش متابولیسم بدن حساسیت گیرنده‌های شیمیایی به اکسیژن و کربن‌دی‌اکسید کاهش می‌یابد. مطالعاتی که روی مرحله NREM خواب انجام شده است، تنفسی منظم‌تری نسبت به هوشیاری نشان داده‌اند. نهایت کاهش تنفس در مدت زمان تنفس، در مرحله سوم خواب NREM دیده می‌شود که به دلیل کاهش حجم جاری ریه است. به همین جهت در این مرحله میزان $$ETCO_2$$ در مقایسه با هشیاری از 1 به 2 تور می‌رسد.

در مرحله REM خواب، تغییرات تنفسی بیشتر اتفاق می‌افتد. این مرحله با افزایش فرکانس تنفس و کاهش نظم آن شناخته می‌شود. در خواب REM فلج عضلات کمکی تنفس اتفاق می‌افتد و تنفس کاملا وابسته به دیافراگم می‌شود. حجم جاری در REM از مرحله NREM نیز بیشتر کاهش می‌یابد. میزان $$ETCO_2$$ بیشتر می‌شود و میزان اشباع اکسیژن نیز کاهش می‌یابد.

آپنه تنفسی در خواب چیست ؟

آپنه خواب نوعی اختلال تنفسی در خواب است که در آن تنفس به طور تکرار شونده‌ای قطع و وصل می‌شود. اگر بلند خروپف می‌کنید یا بعد از خواب کافی شب، هنوز احساس خستگی دارید، ممکن است دچار آپنه تنفسی باشید. سه نوع اصلی آپنه خواب وجود دارد.

• «آپنه خواب انسدادی» (Obstructive Sleep Apnea): شایع‌ترین نوع آپنه خواب است و وقتی اتفاق میفتد که ماهیچه‌های گلو ریلکس باشند.
• «آپنه خواب مرکزی» (Central Sleep Apnea): زمانی اتفاق میفتد که مرکز تنفس در مغز پیام مناسب برای کنترل تنفس در هنگام خواب ارسال نمی‌کند.
• «سندرم پیچیده آپنه خواب» (Complex Sleep Apnea Syndrome): وقتی هم ماهیچه‌های گلو ریلکس باشند و هم پیام مناسبی برای تنظیم تنفس از سوی مغز ارسال نشود، این مشکل تنفسی ایجاد می‌شود.

علائم آپنه خواب چیست ؟

معمولا علائم آپنه خواب انسدادی و مرکزی با هم همپوشانی دارند و نمی‌توان علت اصلی آن را تشخیص داد. علائم شایع این دو نوع آپنه خواب به صورت زیر هستند.

• خروپف‌های بلند
• نفس نفس زدن در هنگام خواب
• بیدار شدن با دهان خشک
• سردردهای صبحگاهی
• بی‌خوابی
• احساس کمبود خواب در طول روز
• عدم تمرکز در بیداری
• زودرنجی

دلایل آپنه خواب مرکزی چیست ؟

آپنه خواب مرکزی در اثر عوامل آسیب زننده به ساقه مغز اتفاق میفتد. شایع‌ترین دلایل این مشکل در بخش زیر امده است.

• «تنفس چین استوکس» (Cheyne Stokes Breathing): این نوع آپنه خواب معمولا به دلیل سکته مغزی یا قلبی ایجاد می‌شود. این نوع تنفس به صورت افزایش تدریجی تنفس و سپس کاهش و وقفه تنفسی است.
• استفاده از بعضی داروها و مواد مخدر: بعضی از اپیوئیدها مثل مورفین، اکسی‌کدون و کدئین می‌توانند باعث تنفس نامنظم و وقفه موقت تنفسی در خواب و بیداری شوند.
• قرار گرفتن در ارتفاعات بالا: در ارتفاعات بالا میزان فشار اکسیژن کاهش می یابد و ممکن است باعث افزایش یا کاهش تنفس و حتی آپنه شود.

تنظیم تنفس سلولی

تنفس سلولی برای تولید انرژی سلول مورد نیاز است. برای اینکه سلول بتواند تعادلی از انرژی (ATP) داشته باشد، میزان تنفس خود را تنظیم می‌کند. برای فهم اهمیت این موضوع به این فکر کنید که سه عدد بستنی دارید. اگر گرسنه باشید می‌توانید با خوردن این سه بستنی سیر شوید ولی اگر گرسنه نباشید بستنی‌ها آب می‌شوند و پول شما هدر رفته است. برای سلول هم میزان تولید ATP در تنفس سلولی همین حکم را دارد. اگر بیش از نیاز خود ATP تولید کند، منابع خود را هدر داده است. به همین دلیل باید میزان تنفس سلولی تنظیم شود.

 

مکانیسم‌های کنترل تنفس سلولی

مکانسیم‌های مختلفی برای کنترل تنفس سلولی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بعضی از آن‌ها دسترسی به گلوکز را تحت تاثیر قرار می‌دهند. پروتئین‌های GLUT انتقال دهنده‌های گلوکز در غشای سلول هستند. نوعی از آن که GLUT4 نام دارد، درون وزیکول هایی در سیتوپلاسم سلول قرار می‌گیرد. وقتی هورمون انسولین به گیرنده خود در سطح سلول متصل شود، وزیکول حاوی این گیرنده به غشا متصل می‌شود و گلوکز می‌تواند به داخل سلول بیاید.

برخی از واکنش‌ها با دو آنزیم مختلف کنترل می‌شوند که هر کدام از آن‌ها یک جهت از واکنش برگشت‌پذیر را کنترل می‌کنند. واکنش‌هایی که تنها توسط یک آنزیم کاتالیز می‌شوند، می توانند به تعادل برسند و واکنش را متوقف کنند. در مقابل، اگر دو آنزیم مختلف (هر کدام برای یک جهت معین خاص) برای یک واکنش برگشت‌پذیر وجود داشته باشند، کنترل سرعت واکنش امکان‌پذیر می‌شود و تعادل در واکنش حاصل نمی‌شود.

بعضی از آنزیم‌های دخیل در فرایندهای تنفس سلولی نیز (به ویژه آنزیم‌هایی که اولین واکنش مسیر را کاتالیز می‌کنند.) با اتصال مولکول‌هایی خاص در محل آلوستریک خود کنترل می‌شوند.مولکول‌هایی که بیشتر در تنظیم استفاده می‌شوند، نوکلئوتیدهای ATP ADP، AMP، NAD و NADH هستند.این مولکول‌ها یا همان عوامل آلوستریک، بسته به شرایط سلول، ممکن است فعالیت آنزیم را افزایش یا کاهش دهند.

عوامل آلوستریک ساختار فضایی آنزیم را تغییر می‌دهند و معمولا بر ساختار جایگاه فعال تاثیر می‌گذارد. این تغییر در ساختار پروتئین (آنزیم) میل آن را برای سوبسترا افزایش یا کاهش می‌دهد. در ادامه برخی از تنظیم‌هایی که در مسیرهای تنفس سلولی وجود دارند، مورد بحث قرار می گیرند.

گلیکولیز

کنترل گلیکولیز با اولین آنزیم موجود در این مسیر یعنی «هگزوکیناز» (Hexokinase) کنترل می‌شود. این آنزیم فسفریله شدن گلوکز را کاتالیز می‌کند و ساختاری را ایجاد می کند تا در ادامه مسیر بتواند برش بخورد. علاوه بر این فسفریله شدن گلوکز، مانع از خروج آن از سلول می‌شود (چون بار منفی می‌گیرد). وقتی آنزیم هگزوکیناز مهار شود، گلوکز فسفریله نمی‌شود و از سلول خارج می‌شود و دیگر سوبسترایی برای انجام مسیر گلیکولیز برای تنفس هوازی وجود نخواهد داشت.

اگر بخش یاز محصولات آنزیم هگزوکیناز یعنی گلوکز ۶ فسفات در سلول وجود داشته باشند، سلول جلوی پیشرفت واکنش گلیکولیز را با مهار آنزیم دوم یعنی «فسفوفروکتوکیناز» (Phosphofructokinase) می‌گیرد. مسیر گلیکولیز توسط سه مرحله آنزیمی مهم کنترل می شود (تصویر زیر). دو مرحله اول خیلی سریع اتفاق میفتد و باعث هیدرولیز ATP می‌شود.

فسفوفروکتوکیناز آنزیم اصلی در کنترل گلیکولیز است. میزان زیاد ATP و سیترات و pH اسیدی، فعالیت این آنزیم را کاهش می‌دهند. افزایش میزان سیترات زمانی اتفاق میفتد که چرخه سیتریک اسید در سلول محدود شده باشد (یکی دیگر از چرخه‌های مهم در تنفس سلولی).

مرحله آخر از کنترل گلیکولیز نیز توسط تنظیم فعالیت آنزیم پیروات‌کیناز انجام می‌شود. محصولاتی که توسط این آنزیم تولید می‌شوند می‌توانند تجزیه شوند یا به آمینواسید آلانین تبدیل شوند. اگر انرزی نیاز نباشد و آمینواسید آلانین به میزان کافی در سلول وجود داشته باشد، این آنزیم مهار می‌شود. برای مهار این پیرووات کیناز، آنزیم «پیرووات کیناز کیناز» (Pyruvate Kinase Kinase) آن را فسفریله می‌کند. میزان بالای عامل آلوستریک ATP نیز می‌تواند پیروات کیناز را مهار کند.

فعالیت آنزیم پیرووات‌کیناز نیز وقتی میزان «فروکتوز 1 و 6-بیس‌فسفات» (Fructose-1,6-bisphosphate) در سلول بالا باشد افزایش پیدا می‌کند. فروکتوز 1 و 6-بیس‌فسفات ماده واسطه‌ای است که در نیمه اول مسیر گلیکولیز تولید می‌شود.

اگر سلول به انرژی زیادی احتیاج داشته باشد، پیروات بیشتری توسط آنزیم پیرووات دهیدروژناز به «استیل کوآ» (Acetyl CoA) تبدیل می‌شود. ولی اگر میزان گروه‌های استیل یا NADH در سلول تجمع پیدا کنند، پیرووات دهیدروژناز با فسفریله شدن مهار می شود و سرعت واکنش کاهش می‌یابد.

چرخه سیتریک اسید

چرخه سیتریک اسید با کنترل فعالیت آنزیم‌هایی تولید کننده دو مولکول اول NADH صورت می‌گیرد. این آنزیم‌ها «ایزوسیترات دهیدروژناز» (Isocitrate Dehydrogenase) و «آلفا کتوگلوتارات دهیدروژناز» (α-ketoglutarate Dehydrogenase) هستند. وقتی میزان ATP و NADH سلول زیاد باشد فعالیت این آنزیم‌ها کاهش می‌یابد و وقتی میزان این مواد کم باشد فعالیت آن‌ها بیشتر می‌شود تا بتوانند این مواد را تولید کنند. افزایش میزان «سوکسینیل کوآ» (Succinyl CoA) نیز باعث کاهش فعالیت آلفا کتوگلوتارات دهیدروژناز می‌شود.

چرخه انتقال الکترون

آنزیم‌های زنجیره انتقال الکترون تحت تاثیر فیدبک مهاری قرار نمی‌گیرند، اما سرعت انتقال الکترون توسط میزان ADP و ATP کنترل می شود. مصرف بیشتر ATP توسط یک سلول با تجمع ADP نشان داده می‌شود. با کاهش مصرف ATP، غلظت ADP کاهش می‌یابد و ATP در سلول ایجاد می‌شود. تغییر غلظت نسبی ADP به ATP می‌توند چرخه انتقال الکترون را فعال یا غیرفعال کند. کنترل تنفس سلولی به طور خلاصه در جدول زیر نوشته شده‌اند.

جمع‌بندی

تنفس علاوه بر نقش انتقال اکسیژن به سلول‌های بدن و خروج دی‌‌اکسید کربن حاصل از متابولیسم سلول‌ها در حفظ pH طبیعی بدن نیز نقش دارد. از این رو میزان شدت و سرعت تنفس توسط مرکز تنظیم تنفس در مغز کنترل می‌شود. تغییرات pH و اکسیژن و همچنین میزان کشش قفسه سینه توسط گیرنده‌هایی به این بخش از مغز منتقل شده و بر اساس نیاز شدت و سرعت تنفس تغییر می‌کند. مرکز تنفس غیرارادی در بصل‌النخاع و پل مغزی قرار گرفته‌اند و مرکز تنفس ارادی در کورتکس حرکتی مغز است.

علاوه بر تنفس اصلی بدن در سطح سلولی نیز تنفس سلولی اتفاق میفتد. این نوع تنفس انرژی مورد نیاز سلول‌ها را فراهم می‌کند. برای تنظیم تنفس سلولی نیز سلول از روش های مختلفی مثل تنظیم کردن میزان ورود گلوکز به داخل سلول و کنترل انزیم‌های موجود در مسیرهای تنفس سلولی استفاده می کند.